专利名称:核废料封装组合罐的制作方法
本发明介绍用于封装各种不同辐射水准的核废料的组合罐，它们可以安全而永久性地埋放于一个废料处置场所。
各种封装核废料的手段在现有技术中是有的。一种最早使用的封装体是55加仑的钢桶。这种钢桶使用在早期的“踢滚式”废料埋放系统中。在封装后，这种钢桶的表面辐射往往太高，以致不允许由工作人员装卸它们;因此，封装后的钢桶用长臂起重机装卸。这些起重机把钢桶吊入一个简易的土壕沟，在那里埋放钢桶。不幸的是，使用这种壕沟中的这类55加仑钢桶，是核废料地下处置的一种极不令人满意的方法。填没这些壕沟的松土比起形成壕沟侧面的密实填装土或形成壕沟底的具有代表性的密实岩层来，要更加容易渗水得多。因此，围绕钢桶的相对松的和渗水的土壕使得这些壕沟聚集大量的静止水，这被称为“澡盆效应”。这些静止水最终导致埋在壕沟内的钢桶的壁发生腐蚀和毁坏。钢桶的毁坏和土壤随时间的压实，转过来又引起土壤的向下运动或下沉，这使得在壕沟的顶部形成凹陷。这种凹陷聚集地表水，从而使壕沟在钢桶上聚集和维持一坑静止水的倾向进一步恶化。造成的静止水的增加使土壤愈加下沉，并加速埋放在那里的钢桶的腐蚀和毁坏。此类场所的钢桶容器的腐蚀和毁坏，造成流经那里的地下水的某种放射性污染。
为了解决与此类“踢滚式”封装处置系统有关的问题，研究了具有相当厚的屏蔽辐射和防渗水的壁的封装体。与55加仑钢桶的薄壁相反，这些混凝土封装体的厚壁把形成的封装体表面辐射减少到不须用长臂起重机装卸，而相反地可以安全地由操作人员装卸。此外，厚的混凝土层抵抗地下水侵蚀的能力要大得多。在使用中，这些厚壁混凝土封装体被运到废料产生的场所，这类场所有代表性的是核电站。废料被直接扔入这些封装体的内部，封装体被就地密封。而后将密封的封装体运到遥远的处置场所并埋放。这些混凝土封装体的有关的表面辐射很低，因此可以用屏蔽的叉车在埋放的壕沟内顺序堆放。
尽管此种混凝土封装优于“踢滚式”系统使用的钢桶型封装，但这种特定的封装形式仍然有许多缺点。首先，这些特定的封装体不能够方便地装卸高辐射水准的废料，如废控制棒;封装体的混凝土壁厚度简直不足以把封装体的表面辐射减弱到可以接受的水准。其次，一个有关的问题是混凝土封装体的表面辐射随封装于其中的特定废料的放射性而变化。因为人们总是希望在埋放壕沟中将“最热的”封装体包围在放射性最小的封装体的下面，所以这些特定封装体的表面辐射在广泛范围内变化的事实，使得很难确定堆放的最佳顺序。第三，这些封装体实际上只在所含的废料和外部土层之间有唯一的一道辐射和水的阻挡层。如果这些封装体的混凝土壁由于地震扰动而破裂，就没有后备的水或辐射阻挡层了。第四，这些混凝土封装体从埋放场所回收很不方便。如果地震扰动使一个特定的封装体发生破裂到可能漏出放射性物质的程度，那末最后一个缺点是一个特别严重的缺陷。
显然，需要一种地下处置的核废料封装体，它能够封装不同放射性水准的放射性废料，而对这些废料显示出相同的或至少相似的表面辐射水准。理想情况是，万一由于某种原因而封装体的外壁发生破裂的话，这样一种封装体应当有多重的水和辐射阻挡层包围着所含的废料。最后，这种封装体应当堆放成能高度经受得住地震事件或其它自然扰动造成的损坏的构型，而万一堆放的某一特定封装体受到损坏的话，应当很容易回收。
因此，本发明属于一种能将包含于装运容器内的放射性废料封装成能够承受压力负载的稳定结构形状的组合罐。该组合罐包括一个完全包围废料的坚硬的外层容器，为废料提供了第一道辐射和水的阻挡层，一个由装运容器形成的内层容器，为废料提供了第二道辐射阻挡层，以及位于中间的可以硬化的流态物质层，它填满了外层容器和内层容器之间的空间，为废料提供了又一道辐射阻挡层，并为组合罐提供了一个相当坚硬的增强内壳，它增强了组合罐的抗压强度。
本发明也包括一种能将包含于装运容器内的放射性废料封装成能够埋放的稳定结构形状的组合罐。该组合罐包括一个由粘结材料构成的直角棱柱体形状的坚硬的外层容器，为废料提供了第一道辐射和水的阻挡层，一个由装运容器形成的内层容器，为废料提供了第二道辐射和水的阻挡层，以及位于中间的灌浆层，它完全填满了外层容器和内层容器之间的空间，为废料提供了又一道辐射和水的阻挡层，并为组合罐提供了一个能够支承压力负载的相当坚硬的增强内壳。
其次，按照本发明所述的是一种核废料处置组合罐的密实封装阵列，当阵列埋入土内后，它与土的形状的变化灵活地符合一致。此处所说的阵列包括许多组合罐，每个组合罐的外形象一个直角棱柱体，有许多大小形状相等的侧壁和两个大小形状相等的端壁。此处所说的组合罐端面相接地堆放成相互邻接的柱子，而此处的一个特定柱子中所有组合罐的侧壁都是共平面的，因此每一个组合罐柱子都可以相对于邻接的柱子垂直移动。
再次，按照本发明所述的是一种将可压实的核废料封装在可压实的装运容器内的流程，该流程包括压实容器和其中的废料;把至少一个压实后的容器放置在组合罐容器的中央部分，并用一种可以硬化的流态物质填满被压实容器和组合罐容器之间的环状空间。
组合罐的容器可以放入许多个放射性废料的装运容器。可以压实每一个装运容器，以尽可能增加可以装入组合罐容器的装运容器数目。这种压实由于硬化了废料而增加了总体的抗压强度，也使废料较少吸水和渗水。在本发明的最佳实施方案中，装运容器承受一个使装运容器及其内盛物两者都发生非弹性变形的压实力，因此消除了压实后装运容器及其内盛物的“弹回”。这种“弹回”本来可以在组合罐内形成裂缝或空隙，如果在灌浆仍处于塑性状态时产生此种弹回的话。
压实的装运容器可以放置在组合罐坚硬的外层容器的中央，以使形成的组合罐表面辐射相等。此外，在坚硬的外层容器内灌浆的装运容器的数目，可以选得使形成的组合罐表面辐射不超过一个预选值。为了方便组合罐的装卸，组合罐外层容器的底部可以包括大体平行的槽纹，以插入叉车的铲叉，而这一容器的顶部可以包括许多能可拆地连接到提升机钩子上去的I形螺栓锚环。此外，坚硬的外层容器可以包括一个平板状盖子，它至少有一个盖子紧固零件，这个零件当灌入的灰浆处于未硬化状态时可以插入灰浆内，当灰浆硬化后这个零件就用来把盖子锚定在外层容器上。
最后，组合罐的坚硬的外层容器的形状最好是直角棱柱体的，有许多大小形状相等的侧壁，以便组合罐可以密实地堆放成相互邻接的柱子。在最佳实施方案中，组合罐是六角形的棱柱体。这种六角形棱柱体形成的不产生下沉的密装阵列，具有充分大的抗压强度以支承土质型的壕沟覆盖层，但是能与由于地震扰动或其它自然破坏而引起的壕沟形状的变化灵活地符合一致。
为了可以更清楚地理解本发明，现在描述方便的实施方案作为例子，参虑的附图有图1为封装设施的剖面透视图;
图2为图1所述封装设施中所用的强力压实机的剖面透视图;
图3为处置场所的剖面透视图;
图4A为封装组合罐的平面上视图;
图4B为该组合罐的部分截面侧视图;
图4C为组合罐的下视图;
图5A为组合罐盖子的上视图;
图5B为图5A所述组合罐盖子的部分截面侧视图;
图6为装填和密封后组合罐的透视图;
图7为装填后组合罐的剖面透视图。
现在参考图1，图中相同的参考编号表示所有各图中相同的部件，本发明系统的封装设施1包括四堵隔离墙2a、2b、2c和2d，它们围住一个位于建筑物左边的遥控装卸废料封装区3，一个位于建筑物中央的组合罐装载和运输区60，一个位于建筑物右边的接触装卸废料区85。遥控装卸和接触装卸废料区3和85分别包括一条行车干线7和87。在这两条行车干线7和87上，卡车13和95运送装在重量相当轻的装运容器(即衬套、55加仑钢桶和LSA容器)中的遥控装卸和接触装卸核废料，从位于远处的废料产生地点运来，以便封装到相当重的密实装填的组合罐200中去。在最佳实施方案中，由封装设施1装填的组合罐200的最终处置场所150，位于紧靠设施1的地方，以尽量缩短装填后组合罐(它可能重达30，000磅以上)必须运输的距离。在一开始就应当注意到，远离废料产生地点而靠近最终处置场所150的由隔离墙围住的设施，至少有三个主要的有关好处。第一，不需要把相当重的组合罐200运到废料产生地点。第二，消除了废料产生地点受封装偶然事故污染的可能性。第三，隔离墙2a、2b、2c和2d把处置场所150受封装偶然事故污染的可能性减到最小。
现在转向比较具体地描述设施1的遥控装卸废料区3。该废料区3包括一条车道9，车道9有一个入口(未示出)和一个出口11，用来接受运送卡车13。此种卡车13通常将核废料装在一种可以重复使用的屏蔽装运罐15中，装运罐15的类型是得到美国运输部或美国核管理委员会批准的。此种屏蔽装运罐15的内部，配备了实际上盛放废料的金属或塑料衬套(未示出)。设施1的废料区3进一步包括一个高度与卡车13的车身一样高的处理平台18，一个带有吊钩装置21的屏蔽罩19，以及一个遥控的移动式起重机23。屏蔽罩19最好由带铅衬的钢壳制成，铅衬厚度要足以将非接触性废料产生的辐射量减小到可以接受的水准。起重机23包括一个主提升机25，它通过一个电动滑轮组装置27与屏蔽罩19的吊钩装置21形成可拆卸的连接。移动式起重机23进一步包括一个使主提升机25沿“X轴”方向(平行于行车干线7的车道9)移动的滑架29，以及一个使主提升机25沿“Y轴”方向(平行于设施1的前沿)移动的天车33。垂直可调的电动滑轮组装置27，与滑架29和天车23相结合，使移动式起重机23将屏蔽罩19摆动到运送卡车13的装运罐15上面，从容器15中吊出装废料的衬套，并将衬套放置在处理平台18的所要位置上。虽然在最佳实施方案中使用了通过电视监控器操作的遥控移动式起重机23，但可以使用任何其它类型的现有遥控起重机设备来补充本发明。在主提升机25之外，在移动式起重机23和屏蔽罩19之间还连接了一个次级提升机35。次级提升机35控制屏蔽罩19内的缆绳和吊钩(未示出)，使得能够可拆式地约束装废料衬套在屏蔽装运罐15内的位置。
建筑物1的遥控废料区3还包括一个特性检测站37，它有各种不同的辐射检测器39和超声检测器41，以检验证实装运罐15中衬套的内盛物符合装运清单。辐射检测器39用来测定衬套内盛废料产生的辐射强度，并检验这种废料的辐射能谱的名称是否符合装运清单的精确度范围。超声检测器41用来测定衬套内是否存在放射性液体。美国联邦政府规定，严格禁止埋放液体形状的放射性废料，因此，由超声检测器41提供的信息是最重要的。辐射检测器39和超声检测器41两者都利用放置在处理平台18的沟槽43中的电缆与读数标度盘45的存储单元进行电连接。虽然并没有特别表示出任何一个数字，但辐射检测器39和超声检测器41的输出却优先输入一台中心计算机，以便记录下来，并确定在组合罐200的表面辐射超过一个预选限度之前，该特定组合罐能装载多少量的某一特定种类的废料。中心计算机能够进一步计算在一个特定的装载组合罐中必须灌入多少灰浆才能合适地密封废料，并且当超声检测器41指示衬套内盛放的废料中含有的液状废料达到不能容许的百分比时，能够启动报警电路。
在最佳实施方案中，处理平台18的高度选得近似地符合拖挂卡车13车身的高度，因此当装运罐15移去盖子时，平台18上的操作人员不会遭受罐顶射出来的辐射。在操作中，屏蔽罩19下降到打开的装运罐15中，连接住罐内的衬套，而后在特性检测站37的传感器39和41的上面摆动并迅速降低到离这些传感器几英寸，以使屏蔽区3受到的由屏蔽罩19底部射出而由平台18反射的辐射，减到最小。在最佳实施方案中，处理平台18由实心的混凝土板构成，既为了使设施1在结构上成为一个整体，也为了屏蔽。在下面解释了加盖的存放井50的结构和功能之后，后一个屏蔽的目的就清楚了。虽然最佳实施方案的特性检测站37只包括了辐射检测器39和超声检测器41，但如果需要，也可以包括其它类型的检测器(例如目视鉴别废料的遥控电视监控器)。
最后，设施1的遥控装卸废料区3包括四个加盖的存放井50，也包括一个由屏蔽墙54形成而通过屏蔽门55进入的修补操作间53。每个加盖的存放井50包括一个用盘状盖子封顶的一般为圆桶形的井。加盖的存放井50提供了一个安全方便的存放区域，用来存放被特性检测站37检验出存在过量液体或其它不可接受条件的核废料。此外，当灌浆站118阻塞时，加盖的存放井可以用来暂时存放遥控装卸的废料。盖住存放井50的盘形盖的材料和厚度要选得能使贮存在井内的遥控装卸的废料射至屏蔽区3的工作区域的辐射量减小到安全水准以下。修补操作区提供一个设施1的遥控装卸区3内的独立区域，在那里破裂的衬套(或含液体的衬套)可以适当地修补或处理，而没有污染遥控装卸区3的主要部分或设施1的大部分的危险。如以后会变得更明显的，提供一个单独的房间53来修补衬套的破壁是重要的，因为当衬套在组合罐内灌浆时，衬套提供了组合罐200内三个辐射和水的阻挡层之一。当废料衬套内发现游离液体时，修补操作间53提供一个区域，在那里液体可以与合适的吸收剂或其它凝固介质相混合，以便把液体变为在现有美国联邦政府规定条例内适于埋放的固体形状。在正常情况下，既不会使用加盖的存放井50也不会使用修补操作间53来处理遥控装卸废料。相反，在完成特性检测后，这些废料通常被遥控提升通过由组成屏蔽区3背面的屏蔽墙57a和57b所形成的曲折出口56，并放入轨道车64上的组合罐200中，轨道车驶往灌浆站118。
组合罐装载和运输区60位于设施1的中央，在遥控装卸区3和接触装卸区85之间。组合罐装载和运输区60的这种中央位置，使得它可以方便地为设施1的遥控装卸区3和接触装卸区85服务。通常，组合罐装载的运输区60包括一部常规的移动式起重机62(它包括以前描述过的移动式起重机23的全部部件和功能)，以装载堆放在建筑物1的外部轨道车64上的组合罐。这些轨道车可以自由地沿着一对平行的装载轨道装置66a和66b移动。为了使轨道车64能自由移动，安装轨道68a和68b的底座70a和70b稍微倾斜，以便使限定在装载轨道装置66a和66b的轨道68a和68b上的轨道车64能自由地受重力作用而滚下轨道。虽然几个图中都没有示出，但每一个装载轨道装置66a和66b都包括许多气动停止机构，以便在沿装载轨道装置66a和66b的各个不同的装载、灌浆和加盖的位置上都能使轨道车64停止。组合罐装载和运输区60包括一个返回的轨道装置74，它的底座78的倾斜方向与装载轨道装置66a和66b的底座70a和70b的倾斜方向相反。返回轨道装置74的底座78的相反方向倾斜，使得轨道车在移去上面的灌浆和加盖的组合罐200之后，能在重力的作用下在轨道76上自由滚动而回到组合罐装载和运输区60。最后，屏蔽墙79(它最好是至少厚12英寸的实心混凝土墙)置于轨道装置66a和返回轨道装置74之间，以便当遥控装卸废料被装入一个组合罐并接受灌浆时，屏蔽接触废料区85，使它不受屏蔽罩19内含有的遥控装卸废料的照射。这个屏蔽墙79一般起双重作用，一方面使接触装卸废料区85像遥控装卸废料区3一样地围在同一设施内，另一方面能使设施1的遥控装卸区3和接触装卸区85可以共同使用一个组合罐装载和运输区60。后一个好处免去了提供双重的装载和运输系统。
现在转到接触装卸废料区85，设施1的这个区包括许多在遥控装卸区3中有的一般部件。例如，装卸区85包括一条行车干线87，此干线87包括与以前讨论的行车干线7中同一类型的车道89、入口90和出口(未示出)。装卸区85也包括一个最好由实心的混凝土板构成的处理平台93，其高度近似地与卡车车身高度相同，以方便封装的废料从运送卡车95卸下。装卸区85也包括两个特性检测站107a和107b，也包括加盖的存放井113。最后，装卸区85包括一个修补操作间112，以修补破裂的容器，并把液体状的和其它封装不合适的废料转化成可以接受埋放的固体形状。
但是，除了这些与装卸区3共同的部件以外，装卸区85还包括了一些在建筑物1中唯一存在的其它部件。例如，使用了一个具有磁性或真空提升机101的负载相当轻的旋臂起重机99来代替装卸区3的相当重的移动式起重机23。因为装卸区85处理的废料辐射水准相当低，可以直接与工作人员接触，所以不需要一部在装卸区3中使用的能够提起沉重的屏蔽罩19的起重机。因此，装卸区85中使用的起重机只要能够提起轻度封装的核废料，这些废料到达建筑物1时一般装在55加仑的钢桶97内。虽然在建筑物1的可接触区85上可以使用某些轻度屏蔽，但该区处理的废料其辐射水准通常很低，因而不需要深度地屏蔽每个盛放废料的钢桶97。因此，最好由滚轴构成一个传送机系统103，它将使盛放废料的钢桶97的装卸变得大为方便。最后，提供一台强力压实机110，它不仅把废料压实成较小的体积，而且把周围的钢桶挤压到超越钢的弹性限度，使得在灌浆过程中废料的体积不能够“弹回”。这是一个重要的优点，它将在本文的后面详细说明。
传送机系统103既包括一对串联排列的压实机传送带105a和105b，也包括一个修补操作传送带106。压实机传送带105a从旋臂起重机99传送盛放接触装卸废料的55加仑钢桶，通过包括超声和辐射检测器(未示出)的第一个特性检测站，进入强力压实机110的装载机构110.1。强力压实机110对55加仑钢桶容器施加500至1200吨的压力，从而把钢桶容器缩小为密度在60至70磅/立方英尺之间的高密度“圆饼”117。在最佳实施方案中，一般使用600吨的压实力。高密度圆饼117从强力压实机110推出，从滑道111.2滑下到压实机传送带105b上，传送带105b转而又使圆饼117方便地运动，经过第二个同样装备了超声和辐射检测器(未示出)的特性检测站107b。而后传送带105b把高密度圆饼117传送到旋臂起重机114的磁性或真空提升机116上，提升机116把圆饼117吊入运往灌浆站118的组合罐200中。当特性检测站107a检测到(a)钢桶97含有液体，(b)钢桶97的壁已破裂，或(c)钢桶97内盛放的废料不是可以压缩的，修补操作传送带106开始运转。如果检测到这三种状况中的一种，则只需要操作人员(未示出)将钢桶97从压实机传送带105a推到修补操作传送带106上，后者转而把钢桶97传送到修补操作间112，在那里进行适当的桶壁修补、液体凝固或独立的桶内灌浆手续，以便使钢桶97及其盛放的废料达到密封于组合罐200中的合适状态。如果在修补操作间112中出现阻塞事件，钢桶97可以暂时存放在接触装卸区85的加盖存放井113中。
现在详细说明图2。如图所示，本发明的强力压实机110包括一个装料机构110.1，此机构在关节式伸缩臂装置110.3的末端有一个钢桶铲斗。在压实机传送带105a的末端滑下斜槽的钢桶97，被操作人员送入钢桶铲斗110.2中。而后关节式伸缩臂装置110.3把钢桶97装入装料架110.4。压实机110还包括一个装料压头110.5，它把钢桶97送入伸缩式压实筒110.6之内，压实筒110.6可在主压头110.8外边的位置与出料滑道111.2顶部之间移动。在图2中，压实圆筒110.6图示于离开主压头110.8而邻近出料滑道111.2顶部的延伸位置。在钢桶97装入压实筒110.6之后，压实筒110.6缩回到主压头110.8中，在那里钢桶97在压头活塞110.9(未示出)和主压头110.8的压床之间压扁。如前所述，一个500至1200吨的压实力被加到钢桶97上。利用这样大的压实力有三个明显的好处。第一，钢桶97及其内盛物的体积因此而缩小，使得一个组合罐200可以装入更多个钢桶。准确地说，使用这样大的压实力可使35至84个钢桶97被封装入一个组合罐200，而不是14个钢桶。第二，不太明显的是，使用这样大的压实力使桶97的钢与内含的废料一起远远超越材料的弹性限度，因此，形成的高密度圆饼在从出料滑道111.2排出后，不可能再“弹回”到较大的形状。消除了这种“弹回”，就消除了在组合罐200装入圆饼117并灌浆后在组合罐200的硬化灰浆内形成空腔或内部破裂的可能性。除了消除“弹回”外，造成的高密度圆饼117当覆盖灰浆时，在组合罐200内部形成一个正的不可压缩的增强结构，它帮助组合罐起地面壕沟覆盖层164的结构支承部件的另一种动用。最后，钢桶97内废料的高度压实(废料一般为破布、纸和受污染的工作服)使废料不再吸收水。当然，这使得废料在它们确实被弄湿这种极少发生的事件中，不易于浸出放射性物质。这种对吸收水的阻力，也使得废料不易于产生生物降解作用，这再一次补充了组合罐200在密封废料方面的全面功能，因为这种生物降解作用在长时间后会“弄空”装运废料的容器，并造成下沉问题。
末尾应当提到，压实机110包括一个空气过滤系统111.4，它有一个过滤器111.5，一个鼓风机装置111.6，一个排风管111.7。空气过滤系统111.4把由于对运送可接触废料的钢桶97施加660～1100吨力而产生的放射性悬浮微粒排出去。
回到图1，设施1的装卸区85包括一个灌浆站118，它有一个可以延伸的灰浆槽120，此槽能将灰浆注入限制于轨道装置66a(靠近遥控装卸废料区3)或轨道装置66b(靠近接触装卸废料区85)中的轨道车64上的组合罐200内。对非接触装卸区3和接触装卸区85装载的组合罐200都使用一个灌浆站118，又一次避免了总系统中昂贵部件的重复。灌浆站118紧接着一个包括运输起重机126的加盖站122，起重机126有一个提升机128，用来将盖子220提到进入加盖过程的组合罐200的顶部上面。当详细介绍组合罐200的结构时，将更精确地描述加盖过程。
虽然组合罐200通常在靠近废料处置场所150的废料封装设施1中的填装废料、灌浆(在灌浆站118)和加盖，但它们也可以在废料产生地的设施中处理。因为最后得到的组合罐的表面辐射通常低到能够接触装卸，所以组合罐200可以方便地现场存放而暂不利用处置空间。当处置空间可以利用时，组合罐200可以在重复使用的过渡运输容器(未示出)中运输到处置场所150，并直接堆放到壕沟152中去。虽然这种方法最好不采用，但它通常比使用现场废料存放设施要花费少些。
图3说明与封装设施1结合使用的处置场所150。处置场所150通常由一个具有一般平坦的冲积地面154的壕沟152(或许多个平行的壕沟)构成。在将灰浆已经硬化的带盖组合罐200装入壕沟之前，在全部地面154内均匀地放置许多收集水的测渗计155，以监控壕沟内水的辐射水准。测渗计155在壕沟地面154中的放置办法是，在地面钻一个孔，把测渗计的细长管体插进去。一个塑料管网路(未示出)使处置场所150的操作人员能定期地吸出收集在测渗计155的杯子中的水，定期地监控这些水样的辐射水准，以确定辐射物质是否已从组合罐200中稍许渗漏出来。在全部地面154适当地埋放测渗计155之后，地面154覆盖约2英尺厚的砂砾层156，砂砾层起毛细阻挡层的作用。即使处置场所150最好选择在地下水流至少低于壕沟地面154八十英尺的地方，砂砾毛细阻挡层156也仍然放置在地面154的顶部，以提供防止地下水由于毛细作用而从壕沟地面154渗透到组合罐200的堆放阵列160中去的附加保证。虽然本发明的处置场所150中的全部毛细阻挡层最好由砂砾构成，但应注意到，本发明包括了使用导水性高的粗粒状物质。砂砾层156覆盖了约4英寸厚的填塞沙层158。这个填塞沙层158起路基的作用，用于支承沉重的叉车185和拖车184的轮子，叉车185和拖车184用来把组合罐200运去壕沟152。如果没有沙层158，车辆184和185的轮子会陷入砂砾层156中去。
处置场所150的下一个部件是图3中说明的六角形组合罐200的密装阵列160。在最佳实施方案中，组合罐200最好堆放成相互紧靠的柱形，每个组合罐200的每个六角形面都与形成柱形的另两个组合罐的六角形面共平面。组合罐排列成此种相互紧靠的柱形，至少有四个明显的好处。第一，组合罐200的此种密装能为非坚硬的壕沟覆盖层164提供支承结构，覆盖层164可以迅速方便地由土壤、沙子和砂砾之类流动的天然物质形成。第二，此种安排在组合罐200之间几乎完全没有空隙，这种空隙本来可能会造成以前讨论过的土壤下沉问题。第三，此种安排甚至可以经受住严重的地震扰动，因为每个组合罐200能够沿着八个不同的平面(即顶面、底面和六个形成组合罐200的六角形侧面)作单独的不同的运动。因为没有一个组合罐与相邻组合罐存在刚性联锁，所以每个组合罐在地震扰动事件中至少能够作某种垂直滑动或水平滑动的运动。这种八平面的运动自由度使整个组合罐阵列160灵活地适应壕沟152的形状变化，并消除或至少尽可能减小在阵列160中产生局部应力点的局部地震扰动的可能性。这种应力点力量大到足以使整个容器的壁破裂。第四，阵列160中使用的柱状堆放，使得在发生需要回收组合罐的事故时，易于回收特定的组合罐200，因为只要在包括所要组合罐的特定组合罐柱的上方挖一个组合罐大小的孔，就可以取出任何一个组合罐。在最佳实施方案中，放射性最强的即“最热的”组合罐200置于组合罐阵列160的底层，由放射性较弱的组合罐包围，因此周围的组合罐与中间层和顶层的组合罐将对“热”组合罐中物质发出的辐射提供附加的屏蔽。
壕沟152还包括侧面砂砾毛细阻挡层162a和162b，它们位于密装组合罐阵列160和壕沟152的四壁之间。这些阻挡层162a和162b的目的又一次是防止水从壕沟152的四壁向组合罐200的密装阵列160的四周渗透。在最佳实施方案中，每一个侧面毛细阻挡层162a和162b约为2英尺厚。
壕沟覆盖层164最好是一种由土壤、沙子和砂砾之类流动的天然物质形成的非刚性覆盖层。这样一种覆盖层比刚性的合成结构更能经受地震扰动。明确地说，如果发生地震扰动，造成覆盖层164的不同地层之间发生垂直的微小移动，则覆盖层164的非刚性使它至少能部分“自愈合”。此外，如果发生造成覆盖层164相当大损坏的严重地震扰动，那末利用常规的修路和挖土设备，就能容易地修理覆盖层164。如前面所指出的，组合罐的密装阵列160给壕沟覆盖层164的不同地层的构造和维修提供了一切必需的结构支承。
壕沟覆盖层164的第一层最好是一层冲积土166，它的厚度范围为从边上的4英尺厚到中央的7英尺厚。如图3中指出，冲积土层166(它最好是由挖掘壕沟152时移出的当地土壤形成的)是从中心线以约4.5%的梯度逐渐向两边滑下去的。这样一种外形轮廓使覆盖层164有效地泻下渗过覆盖层164的外层的水，把这些水引向沟侧的排水道178a和178b。在冲积土层166加到密装组合罐阵列160的顶部上面后，将土层166压实，而后放置其它各层。这种压实可以用常规的路基压实设备进行，也可以完全让冲积土层166仅仅受自然力作用而稳定。在这两种可以压实冲积土层166的方法中，最好使用路基压实设备。即使本发明中的冲积土自然稳定时间与现有技术中废料处置场所的土壤稳定时间相比要快得多，也仍然很少短于三个月，也可能长达一年，取决于构成冲积土的特定土壤的性质。与此相反，如果使用压路设备，稳定时间可以缩短为大约几天。应当注意到，冲积土层166放置到密装阵列160上的速率，与堆放单个组合罐200而形成阵列160的速率是近似的。这种将冲积土层166同时放置在组合罐阵列160上的办法，将建成处置场所150时掘沟工人受到的辐射量减到最小。
在冲积土层166近似地压实以后，上面施加一层厚度约4英寸的填塞沙层168。在沙层168完全加到冲积土层166上后，在填塞沙层168上面放置另一层厚度约2英尺的砂砾毛细阻挡层170。填塞沙层168充当形成砂砾毛细阻挡层170的相当粗的砂砾和冲积土层166中相当细的冲积土之间的插入阻挡层。一当砂砾毛细阻挡层170放置后，另一道厚度约4英寸的填塞沙层172，被加到砂砾毛细阻挡层170上。其次，一层泻水的细粉沙174被加到叠盖在砂砾毛细阻挡层170上面的填塞沙层172之上。填塞沙层172又一次充当粉沙层174的粉沙和砂砾毛细阻挡层170的砂砾之间的插入阻挡层。粉沙层174是壕沟覆盖层164的主要泻水层，厚度约2英尺，由筛分过的物料(最好由当地获得)形成，在应有位置上压实。使用粉沙层174代替如粘土之类其它泻水天然物质，至少有两方面好处。首先，粉沙常常比粘土更容易从当地获得，因此费用比较低。其次，如果粉沙层174饱和了水，当它干燥时不会像粘土那样容易裂开或破碎，不产生裂开或破碎，有助于保持壕沟覆盖层164的总体完整性。
粉沙层174的边缘毗连壕沟152两侧的排水道178a和178b。排水道178a和178b各有一个槽沟，槽沟内安置了多孔管182a和182b。从粉沙层174两边流下的水通过孔眼注入管子182a和182b，并沿着排水沟180a和180b流动，离开壕沟152。如果雨水或其它表面水来源非常多，以致于粉沙层174完全被水所饱和，砂砾毛细阻挡层170将防止水通过毛细作用从饱和粉沙层174向下流入组合罐阵列160。
壕沟164的最顶上一层176是由有梯度的防冲乱石层构成的，用通俗的话说，是极粗的砾石(它可以像拳石那样大小)。防冲乱石层176至少起三个功用。第一，它隔离粉沙层174，免受风和流水的逐渐剥蚀。第二，它对组合罐阵列160提供了最后一道辐射阻挡层，它使处置场所150的辐射水准令人满意地降低到位于正常背景辐射的范围内。第三，它提供了一道防卫性阻挡层，它阻止闯入的人或动物在组合罐阵列160的上方掘地。到目前为止所描述的覆盖层164的最佳实施方案是用于干燥地区的。在潮湿地区，覆盖层164的另一实施方案，是在组合罐200的密装阵列160的上面增加第一道由当地土壤构成的渗水阻挡层。此层上面依次覆盖了沙层和砂砾毛细阻挡层，类似于先前讨论的168、170和172各层。这些沙层和砂砾毛细阻挡层依次又覆盖一道卵石插入层，顶上附加一层沙层和砂砾层，以支承最后一层带有植被的土壤。在这样一种替代实施方案中，植被一方面起防止上层泥土可能被剥蚀的作用，另一方面除去渗透覆盖层顶层的水。使用的植物应当具有浅的根部，以不妨碍覆盖层164的完整性。此外，这样一种替代的实施方案可以具有大概10度以上的梯度，因为考虑到这样的地区伴随着较大的降雨量。
现在参阅图4A、4B、4C和5A、5B，本发明的组合罐200一般由容器201和盖子220组成，容器201具有钢筋混凝土的壁，它装满核废料并适当地灌浆后，用盖子220盖上。
现在详细地参阅图4A至4C。组合罐200的容器201是一个六角形棱柱体202，内部216为圆桶形。六角形壁彼此紧靠处的棱角204最好截去，以便在组合罐200堆放成图3中说明的组合罐阵列160之后在紧靠的组合罐200之间还留有小的空隙。这些小空间大到足以容纳回收工具(如果需要回收任何一个组合罐200的话)，但又小到当组合罐排列成图3例示的结构形状时不产生土壤的显著下沉。其次，棱角204的截面形状使得在堆放过程中用叉车185将组合罐200推入组合罐阵列时，棱角不容易碎裂损坏。
现在转到组合罐200的容器201的顶部和底部。图中顶部206是敞开的，以便装核废料和灌浆。顶部206包括三个I形螺栓锚环208a、208b和208c，它们使容器201可以用封装设施1中的起重机的吊钩进行装卸，并堆放到壕沟164中去。另外，如果需要回收，这些锚环208a、208b和208c就能使组合罐200吊出壕沟164。如图中所示，锚环208a、208b和208c的螺栓体深深地埋入容器201的混凝土壁，以保证可靠地固定在那里。容器201的底部209包括容器201内部的底面210和具有槽形花纹212的外表面211，每条槽纹比屏蔽叉车185的铲叉要稍深和稍宽，因此这些槽纹212大大地方便了利用叉车185来装卸组合罐200。槽纹212的带角的花纹也使得这样一种叉车可以从许多不同的角度啮合住一个特定的组合罐，这又方便了组合罐的装卸。利用一个钢筋“篮筐”215给组合罐容器201的混凝土壁和底部加增强钢筋，这个钢筋“篮筐”是用商品化的钢筋增强
制成。钢筋筐215大大地增强了组合罐200的容器201的四壁和底部209的抗拉强度。在最佳实施方案中，容器201的壁至少有3英寸厚。此外，容器201的圆桶形内部216的直径至少为75英寸，以便可以在内部堆放十四个钢桶或七垛高密度圆饼117。容器201的顶部206包含6个槽214a、214b、214c、214d、214e和214f，以插入平板状容器盖220的盖子紧固棒232a、232b、232c、232d、232e和232f，容器盖220将在下面详细讨论。
现在参阅图5A和5B。平板状容器盖220一般包括一个上圆盘部分222和一个整体形成的直径稍小的下圆盘部分228。上圆盘222的边缘223.1、223.2和223.3三处修平，这三处彼此相距约120度。当容器盖220适当地放置于容器201的敞开的顶部206时，这些修平部分223.1、223.2和223.3应当成这样的角度放置，使得他们直接面对先前讨论过的I形螺栓锚环208a、208b和208c，以便留出起重机吊钩吊住锚环部分用的余隙，盖子220上圆盘部分222的顶部表面224包含一个辐射警告标记226，标记最好是铸在盖子220的面上。盖子220的顶部表面224上也可以铸一个识别顺序号(如图3中所示)，以便如果必须或想要回收组合罐时可以容易地识别组合罐220。
参阅图5A可以最清楚地看到，容器盖220的上圆盘部分222的周缘安置了三个U形运输耳环227a、227c和227e，彼此相距约120度。这些耳环227a、227c和227e最好跟上圆盘周缘的修平部分223.1、223.2和223.3偏离。这些盖子运输耳环227a、227c、227e与上述修平部分223.1、223.2、223.3之间的此种角度偏离，把起重机吊钩想要吊住组合罐容器201的一个I型螺栓锚环但却疏忽地吊住了一个盖子运输耳环227a、227c和227e并偶然地把它扯掉的可能性减到最小。如上所述，容器盖子220还包括一个整体形成的下圆盘部分228，其直径稍小于上圆盘部分222。一层钢筋增强网229在图5B所示位置铸入制成容器盖子220的混凝土。六根等距离安置的盖子紧固棒232a、232b、232c、232d、232e和232f也铸入盖子220中。在容器装满核废料并灌浆之后，这些紧固棒滑入互补的开口槽214a、214b、214c、214d、214e和214f中。容器盖子220和组合罐容器221两者最好用耐压限度为4000磅/平方英寸级别的以无孔波特兰水泥为基础的混凝土。此种混凝土强度大，抗渗水性好。
图6和图7举例说明一个组合罐200，其中装满了用强力压实机110压成的高密度圆饼117，随后灌了灰浆和加了盖。在操作时七垛高密度圆饼117放置在组合罐200的容器201的中央位置，如图7所示。覆盖压实后核废料的压实容器，在核废料和组合罐200之间形成一道附加的辐射和水的阻挡层。其次，设施1的灌浆站118的可延伸灰浆槽120，在七垛圆饼117的上面灌灰浆218，以便在圆饼117和容器201的内壁面之间形成坚固的灰浆层。在最佳实施方案中，用来填充组合罐200的灰浆是一种耐压限度为3000或4000磅/平方英寸的以波特兰水泥为基础的混凝土。但也可以使用石膏、火山灰、飞灰或其它粘结料作为灰浆。硬化的灰浆218在圆饼117内的废料和容器201的外表面之间形成第三道辐射和水的阻挡层，这一点，可以从图中明显地看出。灰浆218也用来将盖子紧固棒232a、232b、232c、232d、232e和232f锚入组合罐200的体内，因此容器201、盖子220、灰浆218和圆饼垛117变为一个抗压强度和抗拉强度相当大的整体的坚固构造。完成的硬化组合罐200用凹车架拖车184从封装建筑物1运走，而后用屏蔽叉车185堆放到图3示例的密实阵列160中去。
虽然并没有在任何一张附图中表示，但组合罐200可以专门改装来封装特殊的高强度核废料，如废控制棒之类。明确地说，组合罐200可以用非常厚的混凝土壁制成，使得组合罐的中央只留下相当小的圆桶形空间。而后可以直接将控制棒从屏蔽运输罐15运入预先灌浆的组合罐的圆桶形小空间中去。此种改装的组合罐可以制作得比较长，以便可以容纳几根完整的控制棒。另一种办法是，如果把控制棒截成较小的长度，就可以使用正常高度的预先灌浆的组合罐200了。
权利要求
1.一种能将包含于装运容器内的放射性废料封装成能够承受压力负载的稳定结构形状的组合罐，其特征在于，该组合罐包括一个完全包围废料的坚硬的外层容器，为废料提供了第一道辐射和水的阻挡层，一个由装运容器形成的内层容器，为废料提供了第二道辐射阻挡层，以及位于中间的可以硬化的流态物质层，它填满了外层容器和内层容器之间的空间，为废料提供了又一道辐射阻挡层，并为组合罐提供了一个相当坚硬的增强内壳，它增强了组合罐的抗压强度。
2.一种按照权利要求
1所述的组合罐，其特征在于，其坚硬的外层容器包括了许多个放射性废料的装运容器。
3.一种按照权利要求
2所述的组合罐，其特征在于，每个装运容器都被压实，以尽可能增加可以装入外层容器的装运容器数目，同时通过增加装运容器抗压强度来增加组合罐的总抗压强度。
4.一种按照权利要求
3所述的组合罐，其特征在于，装运容器受压实力的作用，使装运容器及其内盛物都产生非弹性变化。
5.一种按照权利要求
4所述的组合罐，其特征在于，装运容器受到500至1200吨的压实力。
6.一种按照权利要求
5所述的组合罐，其特征在于，装运容器受到约600吨的压实力。
7.一种按照权利要求
1所述的组合罐，其特征在于，装运容器放在坚硬的外层容器的中央位置。
8.一种按照权利要求
2至6中任何一项所述的组合罐，其特征在于，许多个装运容器放在坚硬的外层容器的中央位置。
9.一种按照权利要求
8所述的组合罐，其特征在于，选择放入坚硬的外层容器的装运容器数目，使得形成的组合罐表面辐射不超过预选的限度。
10.一种按照权利要求
1至9中任何一项所述的组合罐，其特征在于，坚硬的外层容器的外形为直角棱柱体。
11.一种按照权利要求
10所述的组合罐，其特征在于，坚硬的外层容器的最底部包括一种大体平行的槽形花纹，以便从许多个角度插入叉车的铲叉。
12.一种按照权利要求
1至11中任何一项所述的组合罐，其特征在于，该组合罐还包括一个盖子，它至少有一个盖子紧固零件，这个零件可以插入填满外层容器和内层容器之间空间的可以硬化的流态物质中，以便在该种流态物质硬化后把上述盖子紧固于上述外层容器上。
13.一种按照权利要求
1至12中任何一项所述的组合罐，其特征在于，坚硬的外层容器的最顶部包括许多能可拆地连接到提升机钩子上去的部件。
14.一种按照权利要求
1至13中任何一项所述的组合罐，其特征在于，那种可以硬化的流态物质为灰浆。
15.一种能将包含于装运容器内的放射性废料封装成能够埋放的稳定结构形状的组合罐，其特征在于，该组合罐包括一个由粘结材料构成的直角棱柱体形状的坚硬的外层容器，为废料提供了第一道辐射和水的阻挡层，一个由装运容器形成的内层容器，为废料提供了第二道辐射和水的阻挡层，以及位于中间的灌浆层，它完全填满了外层容器和内层容器之间的空间，为废料提供了又一道辐射和水的阻挡层，并为组合罐提供了一个能够支承压力负载的相当坚硬的增强内壳。
16.一种按照权利要求
15所述的组合罐，其特征在于，其坚硬的外层容器包括了许多个放射性废料的装运容器。
17.一种按照权利要求
16所述的组合罐，其特征在于，每一个装运容器都被压实，以尽可能增加可以装入外层容器的装运容器数目，同时通过增加装运容器抗压强度来增加组合罐的总抗压强度。
18.一种按照权利要求
17所述的组合罐，其特征在于，装运容器受压实力的作用，使装运容器及其内盛物都产生非弹性变化。
19.一种按照权利要求
18所述的组合罐，其特征在于，装运容器受到500至1100吨的压实力。
20.一种按照权利要求
16至19中任何一项所述的组合罐，其特征在于，选择放入坚硬的外层容器的装运容器数目，使得形成的组合罐表面辐射不超过预选的限度。
21.一种按照权利要求
15至20中任何一项所述的组合罐，其特征在于，坚硬的外层容器的最底部包括一种大体平行的槽形花纹，以便从许多个角度插入叉车的铲叉。
22.一种按照权利要求
19所述的组合罐，其特征在于，该组合罐还包括一个盖子，它至少有一个盖子紧固零件，这个零件当灌入的灰浆处于未硬化状态时可以插入灰浆，当灰浆硬化后这个零件就用来把盖子锚定在外层容器上。
23.一种核废料处置组合罐的密实封装阵列，当阵列埋入土内后，它与土的形状的变化灵活地符合一致，其特征在于，该阵列包括许多组合罐，每个组合罐的外形象一个直角棱柱体，有许多大小形状相等的侧壁和两个大小形状相等的端壁，此处所说的组合罐端面相接地堆放成相互邻接的柱子，而此处的一个特定柱子中所有组合罐的侧壁都是共平面的，因此每一个组合罐柱子都可以相对于邻接的柱子垂直移动。
24.一种按照权利要求
23所述的阵列，其特征在于，每个组合罐包括一个由装运容器形成的内层容器，为废料提供了第二道辐射和水的阻挡层，以及位于中间的可以硬化的流态物质层，它填满了组合罐内壁和内层容器之间的空间，为废料提供了又一道辐射和水的阻挡层，并为组合罐提供了一个相当坚硬的增强内壳，它增强了组合罐的抗压强度。
25.一种按照权利要求
23或24所述的阵列，其特征在于，每个组合罐柱子中每个组合罐的每个端面都与邻近柱子中组合罐的端面共平面，因此该组合罐阵列不但包括了可以在垂直方向彼此相对地滑动的组合罐柱子，而且也包括了可以在水平方向彼此相对地滑动的组合罐层。
26.一种将可压实的核废料封装在可压实的装运容器内的流程，其特征在于压实容器和其中的废料;把至少一个压实后的容器放置在组合罐容器的中央部分，并用一种可以硬化的流态物质填满被压实容器和组合罐容器之间的环状空间。
27.一种按照权利要求
26所述的流程，其特征在于对装运容器施加500吨以上的压实力，以便使它永久地变形为长时间保持稳定的形状。
28.一种按照权利要求
27所述的流程，其特征在于压实力约为600吨。
29.一种按照权利要求
26、27或28所述的流程，其特征在于，该流程还包括一个通过控制封装于组合罐内的压实后装运容器的数目来控制已完成组合罐的最终表面辐射的步骤。
30.一种按照权利要求
26、27、28或29所述的流程，其特征在于所用的可以硬化的流态物质为灰浆。
专利摘要
介绍了一种用于封装包含在装运容器内的核废料的地下处置组合罐。它包括一个为废料提供第一道辐射和水的阻挡层的坚硬的外层容器，一个由装运容器形成的为废料提供第二道辐射和水的阻挡层的内层容器，以及位于中间的灰浆层，灰浆层形成了又一道辐射和水的阻挡层。并为坚硬的外层容器提供了一个增加组合罐抗压强度的相当坚固的内壳。坚硬的外层容器可以容纳许多个已经压实的装运容器。
文档编号G21F9/00GK85105835SQ85105835
公开日1987年1月28日 申请日期1985年8月1日
发明者查理斯·威廉·马劳里, 拉尔弗·爱德蒙·瓦茨, 威廉·萨马尔·萨纳·Jt拉尔弗·罗伯特·迪西比奥, 阿瑟·维拉德·利利, 斯蒂万·燕·温斯顿, 比利·克拉克·斯特里克林, 约翰·爱德华·拉佐尔 申请人:西屋电气公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan